验证感生电场实验设计研究

验证感生电场实验设计讨论 1 引言 在“感生电动势与动生电动势”一节中，人教版高中物理选修 3-2 教材在提出了“磁场变化时产生了电动势，哪一种作用扮演了非静电力的角色？”问题之后，就直接给出了物理学家麦克斯韦的结论:磁场变化时会在空间激发一种电场———感生电场［1］。以老师视角看，尽管结论非常直接，但却容易使正处于思维发散状态下的学生感到结论下得既突然又武断，同时也不利于学生探究能力的培育，难以让人信服。为此，笔者设计了验证感生电场存在的实验。实践证明，该实验既达到了培育学生能力的目的，又能增强教学效果。 2 设计思路及实验器材 2.1 设计思路。该实验设计能获得较强、持续的变化磁场，并找到一个带电粒子；在受力作用下，带电粒子的运动状态会发生改变，若改变的原因能排除是洛仑兹力，则只能是磁场变化时产生的作用力，即感生电场的作用力。2.2 实验器材。FB201-Ⅰ 型交变磁场实验仪、FB201-Ⅱ 型交变磁场测试仪、阴极射线管、高压电源、导线。FB201-Ⅰ 型交变磁场实验仪是集信号发生、信号感应、测量于一体的多用途教学实验仪器，它可以在亥姆霍兹线圈中产生磁场。经理论计算证明，给亥姆霍兹线圈通入同方向的电流，则两个线圈的合磁场在轴上(两线圈圆心连线）附近较大范围内呈均匀分布状态［2］。磁场的分布如图 1 所示，其中 x 为轴上某一点到线圈圆心 O′的距离，由于通过亥姆霍兹线圈的电流是交变电流，沿两个线圈轴线方向产生的是均匀交变磁场，具有强度大、持续时间可人为确定、便于控制的优点，其磁感应强度约为 1.0×10-3T。FB201-Ⅱ 型交变磁场测试仪作为信号源，其激励信号的频率、输出强度均连续可调，信号频率可调范围是 30～200Hz，分辨率为 0.1Hz。亥姆霍兹线圈允许的最大电流是 1A(50Hz），每个线圈共为 400 匝，线圈等效半径为 105mm。带电粒子由正常工作时的阴极射线管产生，可通过打到荧光板上发出的浅绿色径迹显示粒子的运动状态。 3 验证原理 将阴极射线管带电粒子径迹方向沿亥姆霍兹线圈圆心连线方向放置，此时带电粒子运动方向平行于磁场方向，不会受到洛仑兹力的作用，则带电粒子是直线径迹，表明没有感生电场产生；保持阴极射线管带电粒子径迹方向沿亥姆霍兹线圈圆心连线方向放置方式不变，给线圈通入交变电流，此时沿两个线圈轴线方向产生均匀的交变磁场，则带电粒子的径迹有规律地向着两个相反方向偏转，表明磁场发生变化并使电荷受到作用力（即感生电...